CN113867069B - 一种光学调制装置及调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学调制装置及调制方法，涉及通信技术领域，装置包括调制单元和控制单元，调制单元包括依次光路连接的分束器、耦合器、MZ调制器和监测光探测器，分束器分出的一条光路上还设置有改变光信号相位的相移器；所述控制单元分别与监测光探测器、相移器和MZ调制器信号连接，用于监测光探测器的信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，还用于根据监测光探测器信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小，本发明可以提升消光比。

Description

一种光学调制装置及调制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体来讲涉及一种光学调制装置及调制方法。
背景技术
随着光通信技术的发展，通信容量逐步提升，光器件的集成度也越来越高。集成光器件具有低能耗、高带宽、超高频谱利用率等优点，因此，在诸如光互联、光传感、光通信、量子通信等领域取代了不少电学器件。马赫曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)调制器是其中一种核心器件，用于将电信号加载到光波上，实现光的强度调制和相位调制。消光比是衡量MZ调制器的性能的重要指标之一。消光比反映MZ调制器两调制臂的光场强度的均衡程度，高的消光比有利于提高调制后光信号的质量。
MZ调制器通常包括分束器、波导、相移器、行波电极和合束器。由于制造工艺误差等原因，以及MZ调制器两调制臂的损耗也不尽相同，这些都会导致消光比低下。另外，MZ调制器中的无源结构，如分束器和波导等受温度影响较大，导致消光比随温度、时间发生劣化，影响通信质量。
在光通信技术领域，通信速率、编码复杂度仍在进一步地提高，对MZ调制器的消光比提出更高的要求，甚至逐步成为影响光通信系统性能的关键因素。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光学调制装置及调制方法，提升消光比。
为达到以上目的，一方面，采取一种光学调制装置，包括调制单元和控制单元，调制单元包括依次光路连接的分束器、耦合器、MZ调制器和监测光探测器，分束器分出的一条光路上还设置有改变光信号相位的相移器；
所述控制单元分别与监测光探测器、相移器和MZ调制器信号连接，用于监测光探测器的信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，还用于根据监测光探测器信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小。
优选的，所述控制单元调整MZ调制器偏置电极的电压时，若调整到工作点电压，则控制单元改为调整相移器的电压；所述工作点电压为MZ调制器输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压。
优选的，若控制单元首先调整的是相移器的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值，或者，控制单元调整相移器的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号，则控制单元变为调整MZ调制器偏置电极的电压。
优选的，若控制单元首先调整的是MZ调制器偏置电极的电压，控制单元调整相移器的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则交替调整结束。
优选的，所述控制单元用于在相移器上加直流电压，或者添加带低频扰动的直流电压信号，来调整相移器的相移量，减小目标低频信号。
优选的，所述MZ调制器包括两个调制臂，至少一个调制臂为所述调制单元。
另一方面，还提供一种基于所述光学调制装置的调制方法，包括：
输入光信号被分束器分成两路传输，其中一条路光信号通过相移器进行移相后，两路光信号通过耦合器先耦合在一起，再分为两路具有相位差的光信号，再经过MZ调制器调制后输出；
监测光探测器实时探测MZ调制器的光并转换为电流信号，控制单元对电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，并根据电流信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小。
优选的，所述控制单元调整MZ调制器偏置电极的电压时，若调整到工作点电压，则控制单元变为调整相移器的电压；所述工作点电压为MZ调制器输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压。
优选的，所述控制单元对电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号；
若控制单元首先调整的是相移器的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值，或者，控制单元调整相移器的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号，则控制单元变为调整MZ调制器偏置电极的电压；
若控制单元首先调整的是MZ调制器偏置电极的电压，控制单元调整相移器的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则交替调整结束。
优选的，所述控制单元调整相移器的电压包括：
控制单元将电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号y0，依据调节方向调节相移器的电压，若调节后的目标低频信号y1≥y0，改变相移器的调节方向，将y1赋值给y0，再次依据调节方向调节相移器的电压，直至y1＜y0；
若y1＜y0时，y1大于等于第二预设阈值，则保持相移器的调节方向不变，将y1赋值给y0，再次依据调节方向调节相移器的电压，直至y1＜y0时，y1小于第二预设阈值；
其中，所述预设调节方向为：上一次调节方向为正时，增加相移器电压；上一次调节方向为负，减少相移器电压；上一次调节方向未知时，初始化相移器调节方向为正。
上述技术方案中的一个具有如下有益效果：
在不降低器件插入损耗的情况下，通过监测光探测器实时MZ调制器的部分光，并采用控制单元对相移器和MZ调制器进行交替调节，当目标低频信号最小的时候，消光比达到最大，可以补偿和提升器件的消光比，解决MZ调制器消光比随温度、时间漂移的问题。本发明适用于强度调制，也适用于相位调制。
附图说明
图1为本发明实施例光学调制装置的示意图；
图2为图1光学调制装置更具体的示意图；
图3为本发明中补偿后消光比随相移器相移量变化曲线图；
图4为本发明中目标低频信号随相移器相移量变化曲线图；
图5为本发明中补偿后消光比随目标低频信号的变化曲线图；
图6为本发明实施例控制单元调整相移器的电压示意图。
附图标记：
1、调制单元；10、输入波导；20、分束器；21、第一光路；22、第二光路；30、相移器；40、耦合器；50、MZ调制器；51、第一调制臂；52、第二调制臂；60、监测光探测器；70、输出波导；2、控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，提供一种光学调制装置的实施例。该光学调制装置包括调制单元1和控制单元2，控制单元2控制调制单元1进行光调制。具体的，控制单元2包括依次光路连接的分束器20、耦合器40、MZ调制器50和监测光探测器60，分束器20分出两条光路，相移器30设置在其中一条光路上；控制单元2分别与监测光探测器60、相移器30和MZ调制器50信号连接。
分束器20用来将输入光信号分为两条光路传输。本实施例中，输入光信号通过输入波导10传输，两条光路分为第一光路21和第二光路22。
相移器30设置于其中一条光路，本实施例中设置在第一光路21上，用于改变第一光路上光信号的相位。适合的光相位变化，能够提升消光比，甚至完美补偿(消光比趋于无穷大)。
耦合器40，用于将两条光路的光信号先耦合在一起，耦合后的光信号再分成两条光路传输，两条光路上的光信号都是耦合后的信号，但是两路光信号具有相位差。优选的，耦合器40可以是定向耦合器(DC)，也可以是2×2多模干涉仪(MMI)。
MZ调制器50，用于将耦合器40输出的光信号进行调制后输出。如图2所示，MZ调制器50包括两个调制臂，本实施例中分为第一调制臂51和第二调制臂52。两个调制臂上都有RF电极(射频电极)，当加载射频信号后，对光信号进行调制。两个调制臂上都有偏置电极，或者其中一个调制臂上有偏置电极，偏置电极加载不同的电压，可以调控MZ调制器50的工作点。
监测光探测器(MPD)60，用于探测MZ调制器分出来的一部分光，并转换为电流信号。
控制单元2用于将监测光探测器60探测的电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，还用于根据电流信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小。
具体的，控制单元2用于根据目标低频信号，调整相移器30的电压，进而改变相移器30的相移量，使目标低频信号减小。优选的，控制单元2将电流信号经过低通滤波器(10kHz以下)得到的信号功率作为目标低频信号。控制单元2用于根据电流信号调整MZ调制器偏置电极的电压。
在一些实施例中，控制单元2进行MZ调制器50偏置电极的电压和相移器30的电压的交替调整，可以首先调整MZ调制器50偏置电极的电压，然后进行反复交替；也可以首先调整相移器30的电压，再进行反复交替。
其中，控制单元2调整MZ调制器50偏置电极的电压时，若调整到工作点电压，则控制单元2就改为调整相移器30的电压。工作点电压为MZ调制器50输出光功率达到最小值时对应的偏置电极的电压，工作点电压需要满足的条件，由MZ调制器50应用场景决定。
在一种实施例中，每当调节相移器的电压后，调整MZ调制器50偏置电极的电压时，由于MZ调制器50偏置电极的电压是周期性的，记录一个周期内MZ调制器50偏置电极的电压并绘制曲线，曲线的横坐标为加载到偏置电极上的电压值，纵坐标为监测光探测器60转换后的电流值，则该曲线最低点为MZ调制器50输出光功率的最小值，对应的横坐标即为本次调整的工作点电压。
若控制单元2首先调整的是相移器30的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值，或者，控制单元2调整相移器30的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号，则控制单元2变为调整MZ调制器50偏置电极的电压。
若控制单元2首先调整的是MZ调制器50偏置电极的电压，控制单元2调整相移器30的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则整个交替调整结束。
在一种可选的实施例中，相移器30上加直流电压V，将监测光探测器60探测的电流信号经过低通滤波器(10kHz以下)得到的信号功率作为目标低频信号，通过控制直流电压V来调整相移器30的相移量，使得目标低频信号减小。如图4所示，目标低频信号最小的时候，消光比最大。
在另一种可选的实施例中，相移器30上加带低频扰动的直流电压信号V+v0，其中V为直流电压，v0为低频扰动电压信号，v0可以是正弦信号，也可以是方波信号，频率为f0。将监测光探测器60探测的电流信号经过低通滤波器(10kHz以下)后，得到频率为f0的分量，作为目标低频信号，通过控制V+v0来调整相移器30的相移量，使得目标低频信号减小。如图4所示，目标低频信号最小的时候，消光比最大。
下面以上述实施例为基础，介绍光学调制装置的原理。
传统MZ调制器50的第一调制臂51输出光场的幅值为b1，第二调制臂52输出光场的幅值为b2，则光学调制装置的消光比ER为：
Figure BDA0003290579150000081
可以看到b1与b2越接近，消光比ER越大，当b1＝b2时，消光比ER趋于无穷大。所以为了提升消光比ER，需要均衡MZ调制器50两调制臂光场的幅值大小。
如图2所示，上述实施例光学调制装置在传统MZ调制器50之外，增加了控制单元2、相移器30、耦合器40、和监测光探测器60。假设第一光路21光场表示为a1，第二光路22光场表示为a2*exp(jθ)，相移器30产生的相移量为α，耦合器40传递函数可以表示为：
Figure BDA0003290579150000082
其中，δ1和κ1为耦合系数，满足δ1 2+κ1 2≤1。
考虑原本MZ调制器两调制臂不均衡，以及MZ调制器的合束器耦合系数的不均衡，将两个不均衡等效到MZ调制器50的光场幅值损耗系数上，假设分别为b1′，b2′，两调制臂的直流偏置电压分别为V1和V2，射频电压为Vrf，射频半波电压为Vπrf，偏置直流半波电压为Vπdc，则MZ调制器50的传递函数可以表示为：
Figure BDA0003290579150000083
则耦合器40输出的两调制臂光场可以表示为：
Figure BDA0003290579150000084
第一调制臂51的光场Eout1和第二调制臂52的光场Eout2分别如下：
Figure BDA0003290579150000091
Figure BDA0003290579150000092
则本实施例消光比ER为：
Figure BDA0003290579150000093
为了使消光比ER达到最大，实际上需要|Eout1|＝|Eout2|，得到：
Figure BDA0003290579150000094
由于第一光路21和第二光路22为无源结构，没有太大损耗，很容易做到a1≈a2，耦合器40也容易做到分光基本均衡，即δ1≈κ1，故：
Figure BDA0003290579150000095
所以总能找到相移量α，满足公式(9)，也就是说，能够找到相移量α，满足|Eout1|＝|Eout2|，使得消光比ER达到最大。而相移器30产生的相移量α，可以通过相移器30上加载电压V来控制，满足：
Figure BDA0003290579150000096
其中，Vπ为相移器30的半波电压。因此，本发明实施例光学调制装置可以补偿MZ调制的消光比，使得总的消光比得到提升，如图3所示。
基于公式(5)和(6)，可以计算光学调制器的出光功率P，如下：
Figure BDA0003290579150000097
其中，Re表示求实部，*表示复共轭。MZ调制器50工作点定为输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压，即两调制臂的直流偏置电压V1和V2满足P达到最小值。由于V1、V2与Eout1和Eout2幅值无关，因此，输出光功率P达到最小值时，Eout1和Eout2相位正好相反，即相位差为π或者π+2nπ，n为整数。此时，输出光功率可以表示如下：
Figure BDA0003290579150000101
当|Eout1|＝|Eout2|时，输出光功率P达到最小值。即输出光功率P最小值与消光比ER的最大值对应，通过调节相移器30上的电压V，从而调节相移量α，可以使得输出光功率P达到最小值，此时光学调制装置的消光比ER也达到最大值。输出光功率P可以作为目标低频信号。
基于公式(11)，可以仿真计算出目标低频信号随相移器30相移量变化曲线如图4所示，仿真条件为Vrf＝0，即没有加载射频电压；实际上，加载射频电压后，曲线也将与图4类似。补偿后消光比ER随目标低频信号的变化曲线如图5所示，仿真条件和图4一致；实际上，加载射频电压后，曲线也将与图5类似，也就是说目标低频信号减小，能够增大本发明实施例中光学调制装置的的消光比ER。
基于上述实施例，本发明还提供另一种光学调制装置的实施例。是嵌套型的光学调制装置，其中MZ调制器50的第一调制臂51和第二调制臂52中，可以有一个调制臂是上述调制单元1，也可以两臂都是上述调制单元1，其余部件不变。
基于上述实施例，提供一个两臂都是调制单元1的嵌套型光学调制装置实施例。其中，外部的MZ调制器50叫做母MZ调制器，内部2个为子MZ调制器。该嵌套型光学调制装置可用作IQ调制器，用于相干光通信。本实施例中，还可以均衡IQ信号强度，嵌套型光学调制装置能够本质上提升消光比。
本发明还提供一种调制方法的实施例，适用于上述光学调制装置，包括：
输入光信号被分束器20分成两路传输，其中一路光信号通过相移器30进行移相后，两路光信号通过耦合器40先耦合在一起，再分为两路具有相位差的光信号，再经过MZ调制器50调制后输出。
监测光探测器60实时探测MZ调制器50的部分光并转换为电流信号，控制单元2对电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，并根据电流信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器50偏置电极的电压和相移器30的电压，使目标低频信号达到最小。
进一步的，交替调整MZ调制器50偏置电极的电压和相移器30的电压，可以首先调整MZ调制器50偏置电极的电压，然后调整相移器30的电压，再调整MZ调制器50偏置电极的电压……循环交替；还可以首先调整相移器30的电压，然后MZ调制器50偏置电极的电压，再调整相移器30的电压……循环交替。
在上述调整的过程中，控制单元2调整MZ调制器50偏置电极的电压时，若调整到工作点电压(工作点电压为MZ调制器输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压)，则控制单元2变为调整相移器30的电压。
在一些实施例中，若控制单元2首先调整的是相移器30的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值；又或者，控制单元2调整相移器30的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号；则控制单元2变为调整MZ调制器50偏置电极的电压。
在一些实施例中，若控制单元2首先调整的是MZ调制器50偏置电极的电压，控制单元2在调整相移器30的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则整个交替调整结束。
也就是说，循环交替的调整过程中，除了控制单元2首先调整的是相移器30的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值之外；以目标低频信号小于第一预设阈值，作为整个循环交替调整的结束条件。
如图6所示，提供一个控制单元2调整相移器30的电压的实施例，具体包括如下步骤：
S1、控制单元2对监测光探测器60探测的电流信号进行低通滤波处理，得到目标低频信号y0。
S2、控制单元2依据调节方向调节相移器30的电压。具体的，调节方向为：上一次调节方向为正时，增加相移器30的电压；上一次调节方向为负时，减少相移器30的电压；上一次调节方向未知时，初始化相移器30调节方向为正。
S3、获得调节后的目标低频信号y1。
S4、判断是否y1＜y0，若是，进入S6；若否，进入S4。
S5、改变相移器的调节方向，进入S8。
S6、判断y1是否小于第二预设阈值，若是，结束；若否，进入S7。
S7、保持相移器的调节方向不变，进入S8。
S8、将y1赋值给y0，转入S2。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光学调制装置，其特征在于，包括调制单元和控制单元，调制单元包括依次光路连接的分束器、耦合器、MZ调制器和监测光探测器，分束器分出的一条光路上还设置有改变光信号相位的相移器；
所述控制单元分别与监测光探测器、相移器和MZ调制器信号连接，用于监测光探测器的信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，还用于根据监测光探测器信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小。
2.如权利要求1所述的光学调制装置，其特征在于，所述控制单元调整MZ调制器偏置电极的电压时，若调整到工作点电压，则控制单元改为调整相移器的电压；所述工作点电压为MZ调制器输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压。
3.如权利要求2所述的光学调制装置，其特征在于，
若控制单元首先调整的是相移器的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值，或者，控制单元调整相移器的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号，则控制单元变为调整MZ调制器偏置电极的电压。
4.如权利要求3所述的光学调制装置，其特征在于，
若控制单元首先调整的是MZ调制器偏置电极的电压，控制单元调整相移器的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则交替调整结束。
5.如权利要求1所述的光学调制装置，其特征在于，所述控制单元用于在相移器上加直流电压，或者添加带低频扰动的直流电压信号，来调整相移器的相移量，减小目标低频信号。
6.如权利要求1所述的光学调制装置，其特征在于，所述MZ调制器包括两个调制臂，至少一个调制臂为所述调制单元。
7.一种基于权利要求1所述光学调制装置的调制方法，其特征在于，包括：
输入光信号被分束器分成两路传输，其中一条路光信号通过相移器进行移相后，两路光信号通过耦合器先耦合在一起，再分为两路具有相位差的光信号，再经过MZ调制器调制后输出；
监测光探测器实时探测MZ调制器的光并转换为电流信号，控制单元对电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号，并根据电流信号和目标低频信号，交替调整MZ调制器偏置电极的电压和相移器的电压，使目标低频信号达到最小。
8.如权利要求7所述的调制方法，其特征在于，所述控制单元调整MZ调制器偏置电极的电压时，若调整到工作点电压，则控制单元变为调整相移器的电压；所述工作点电压为MZ调制器输出光功率达到最小值对应的偏置电极的电压。
9.如权利要求8所述的调制方法，其特征在于，所述控制单元对电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号；
若控制单元首先调整的是相移器的电压，并且目标低频信号小于第一预设阈值，或者，控制单元调整相移器的电压时，当前目标低频信号低于上一个目标低频信号，则控制单元变为调整MZ调制器偏置电极的电压；
若控制单元首先调整的是MZ调制器偏置电极的电压，控制单元调整相移器的电压时，若目标低频信号小于第一预设阈值时，则交替调整结束。
10.如权利要求7所述的调制方法，其特征在于，所述控制单元调整相移器的电压包括：
控制单元将电流信号进行低通滤波处理得到目标低频信号y0，依据调节方向调节相移器的电压，若调节后的目标低频信号y1≥y0，改变相移器的调节方向，将y1赋值给y0，再次依据调节方向调节相移器的电压，直至y1＜y0；
若y1＜y0时，y1大于等于第二预设阈值，则保持相移器的调节方向不变，将y1赋值给y0，再次依据调节方向调节相移器的电压，直至y1＜y0时，y1小于第二预设阈值；
其中，所述调节方向为：上一次调节方向为正时，增加相移器电压；上一次调节方向为负，减少相移器电压；上一次调节方向未知时，初始化相移器调节方向为正。
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